基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)的智能計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

焦陽　王聘　李守宏*

1遼寧廣播電視大學(xué)（沈陽　110034）2朝陽廣播電視大學(xué)（朝陽　122000）

基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)的智能計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

焦陽1王聘2李守宏1*

1遼寧廣播電視大學(xué)（沈陽110034）2朝陽廣播電視大學(xué)（朝陽122000）

隨著高校信息化發(fā)展，智能計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用日益重要。針對目前計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理效率低、信息化程度低等問題，提出了一種基于ZigBее無線傳感器、嵌入式系統(tǒng)和Intеrnеt等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)和ZigBее無線傳感器設(shè)計(jì)感知層節(jié)點(diǎn)，利用ASP.nеt和SQL數(shù)據(jù)庫搭建服務(wù)層軟件。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分明，數(shù)據(jù)采集精度高，實(shí)時(shí)性良好，遠(yuǎn)程監(jiān)控穩(wěn)定。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)化測控智能實(shí)驗(yàn)室的研究提出了一種先進(jìn)的解決方案。

物聯(lián)網(wǎng)；ZigBее；實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理是高校信息化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著學(xué)生計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的重要責(zé)任，是檢驗(yàn)學(xué)生動(dòng)手能力的重要場所。因此，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理是多個(gè)高校的工作之重。然而由于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的差異性與繁瑣性，加之人工管理模式的局限性，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用往往存在較多的故障，難以滿足不斷增長的學(xué)生需求。對此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，提出了一種新型的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理模式。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，主要有感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。感知層的用戶端可通過傳感器技術(shù)延伸至任何物品之間，實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別和信息采集；網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)等組成。負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息；應(yīng)用層即為物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，最終實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、控制等功能［1］。

提出的基于智能物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)分別從物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)融合開發(fā)，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息化特性，集成了多個(gè)傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室檢測傳感器節(jié)點(diǎn)，基于.nеt框架開發(fā)了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息監(jiān)控軟件。該系統(tǒng)的提出與設(shè)計(jì)有效加快了高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的信息化與智能化。

1　管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的人工管理模式存在多種局限。首先，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室可監(jiān)控參數(shù)匱乏。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室使用過程中需要一系列的安全條件監(jiān)控，例如水、電、可燃?xì)怏w以及動(dòng)力電源等。傳統(tǒng)人工模式往往無法實(shí)現(xiàn)多參數(shù)準(zhǔn)確檢測，不能保證24小時(shí)的不間斷檢測。其次，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理軟件不完善，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理軟件或?qū)嶒?yàn)室設(shè)備管理軟件難以涵蓋實(shí)驗(yàn)室管理和維護(hù)的各個(gè)方面，如資產(chǎn)管理，維護(hù)管理和租借管理。再次，人工管理模式管理對象往往局限于固定資產(chǎn)設(shè)備，不能有效進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室使用人員（包括學(xué)生，老師及其他人）和使用問題的管理。最后，人工管理模式中，資源信息共享機(jī)制薄弱。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理往往只針對單個(gè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室管理，跨學(xué)科交叉和技術(shù)交流很難進(jìn)行。同時(shí)，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室空閑利用率較低［2-3］。

針對人工管理模式的種種不足，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)框架，感知層利用ZigBее的WSN技術(shù)，加載多種傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室各設(shè)備的實(shí)時(shí)信息與狀態(tài)，該狀態(tài)信息可通過ZigBее無線網(wǎng)絡(luò)匯總至ZigBее網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)層的交互；網(wǎng)絡(luò)層中包含一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB站點(diǎn)服務(wù)器，其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，WEB站點(diǎn)服務(wù)器通過訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)信息，并可將以上信息發(fā)布至局域網(wǎng)或校園網(wǎng)上；應(yīng)用層主要針對各個(gè)使用人員，用戶可使用搭載WEB瀏覽器的終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的管理和控制。

ZigBее網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三種組成，可構(gòu)成星型、樹型和網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)應(yīng)用場所的不同，應(yīng)合理選擇網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，由于區(qū)域較小，采用星星網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)可直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制、同步簡單，同時(shí)可保證數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖1　管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在本系統(tǒng)，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)IEEE地址與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備一一對應(yīng)，即可根據(jù)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息進(jìn)行各設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確確認(rèn)。

ZigBее協(xié)議棧選擇zstack2006，采用AODV路由協(xié)議。該協(xié)議棧采用OSAL操作系統(tǒng)，可分為物理層、介質(zhì)接入控制子層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。用戶可在應(yīng)用層進(jìn)行自定義任務(wù)添加，在工作周期內(nèi)進(jìn)行任務(wù)循環(huán)。本系統(tǒng)中，可使用應(yīng)用層進(jìn)行各傳感器讀取，提取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息［4］。

2　管理系統(tǒng)流程分析及實(shí)施方案

傳統(tǒng)人工檢測模式下，當(dāng)增加計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室某方面管理系統(tǒng)時(shí)，往往會(huì)帶來大量的軟硬件設(shè)備和機(jī)房的管理工作，同時(shí)多種管理系統(tǒng)往往不能相互兼容?；赯igBее物聯(lián)網(wǎng)的智能計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)旨在整合計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室紛繁復(fù)雜的設(shè)備信息、智能感知外界信息、實(shí)時(shí)檢測計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)信息。針對以上目標(biāo)，系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　管理系統(tǒng)流程圖

感知層節(jié)點(diǎn)主要有檢測控制器和ZigBее節(jié)點(diǎn)組成，其中檢測控制器掛載溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌㈦妷?電流霍爾傳感器、繼電器等多種傳感和控制模塊，用于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室多種參數(shù)的檢測和報(bào)警狀態(tài)的控制動(dòng)作。ZigBее節(jié)點(diǎn)通過UART方式與檢測控制控制器數(shù)據(jù)，獲取多種信息。ZigBее節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)組網(wǎng)，并基于該網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程將感知層節(jié)點(diǎn)信息傳輸至協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)關(guān)以485通信方式獲取協(xié)調(diào)器信息，并可通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器。

服務(wù)器層通過網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接，基于TCP/IP協(xié)議接收網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。服務(wù)器層設(shè)計(jì)基于ASP.nеt，ADO技術(shù)訪問SQL SEVER數(shù)據(jù)庫，可完成計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息存儲(chǔ)、分析、報(bào)警與控制、人員管理、設(shè)備管理等功能。

2.1感知層設(shè)計(jì)

感知層節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框架圖如圖3所示。

圖3　感知層節(jié)點(diǎn)框架圖

感知層節(jié)點(diǎn)包括檢測控制器和ZigBее節(jié)點(diǎn)。檢測控制器基于C8051f120單片機(jī)設(shè)計(jì)，c8051f120單片機(jī)是完全51內(nèi)核的單片機(jī)，包含豐富的片內(nèi)外設(shè)，如AD轉(zhuǎn)換芯片，雙uart串行端口，溫度傳感器，SPI通信接口等。ZigBее節(jié)點(diǎn)主控芯片選擇CC2430芯片，該芯片為增強(qiáng)型的51內(nèi)核，符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻裝置，最大通信距離可達(dá)1.6KM。

檢測控制器的檢測與控制參數(shù)主要有以下4種：（1）電源參數(shù)，涉及計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室各相電壓、電流等；（2）環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、燈光、煙氣等；（3）門禁參數(shù)，主要功能為人員檢測以及來訪登記等；（4）控制參數(shù)，當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警狀態(tài)時(shí)可進(jìn)行斷電、報(bào)警等動(dòng)作。針對以上監(jiān)控參數(shù)，檢測控制器分別設(shè)計(jì)了電源檢測模塊、溫濕度檢測模塊、火焰煙氣檢測模塊、門禁系統(tǒng)控制模塊以及多繼電器組。

ZigBее節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)信息的接收和發(fā)送。在本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的zigbее節(jié)點(diǎn)中，用戶僅需要添加串口響應(yīng)函數(shù)和無線數(shù)據(jù)響應(yīng)函數(shù)即可完成檢測控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和服務(wù)層軟件的命令接收。

檢測控制節(jié)點(diǎn)檢測傳感器和ZigBее協(xié)調(diào)器輸出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵代碼如下：

2.2服務(wù)層軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)層軟件基于ASP.NET平臺(tái)，采用三層架構(gòu)，即數(shù)據(jù)操作層、業(yè)務(wù)層、用戶應(yīng)用程序。服務(wù)層軟件件通過TCP/IP與網(wǎng)關(guān)互聯(lián)，通過SQL SEVER數(shù)據(jù)庫完成用戶角色管理、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)信息存儲(chǔ)與回調(diào)、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備日志記錄等，服務(wù)層軟件還可完成網(wǎng)絡(luò)布局實(shí)時(shí)顯示、實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)分析和報(bào)警等功能。

2.2.1用戶角色管理

服務(wù)層軟件定義多種操作角色：普通用戶、高級用戶、超級用戶，可實(shí)現(xiàn)對多用戶的數(shù)據(jù)管理和操作。該模塊可實(shí)現(xiàn)不同用戶的登錄，注冊等。

2.2.2計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)讀取

服務(wù)層軟件通過串口與協(xié)調(diào)器連接，服務(wù)層軟件可實(shí)現(xiàn)特定設(shè)備的狀態(tài)讀取，各設(shè)備狀態(tài)循環(huán)顯示，并可自主進(jìn)行各設(shè)備采集精度，采集速度等參數(shù)。已采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)使用。

2.2.3計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室日志記錄

服務(wù)層軟件可記錄計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用日志。高級用戶和超級用戶都可通過該功能完成計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備轉(zhuǎn)移記錄、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室使用記錄等功能。

2.2.4計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)數(shù)據(jù)分析與報(bào)警

服務(wù)層軟件可進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析、判斷和報(bào)警。超級用戶可自主設(shè)定各報(bào)警限位，當(dāng)狀態(tài)到達(dá)報(bào)警限位，服務(wù)層軟件發(fā)送控制命令智能控制各感知層節(jié)點(diǎn)。

為保證計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確讀取，服務(wù)層軟件使用置信區(qū)間算法濾除狀態(tài)數(shù)據(jù)中的粗大誤差。服務(wù)層軟件置信區(qū)間算法具體如下：

假設(shè)采樣數(shù)據(jù)X（x1，x2……，xn-1，xn）共n條數(shù)據(jù)，置信概率P，顯著水平α=1-P

則采樣數(shù)據(jù)均值為：

采樣數(shù)據(jù)方差S2為：

構(gòu)建隨機(jī)變量Z符合正太分布N（0，1），

進(jìn)而可得隨機(jī)區(qū)間

為采樣數(shù)據(jù)X置信度為P的置信區(qū)間。

利用置信區(qū)間算法可有效避免計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)數(shù)據(jù)采樣過程中出現(xiàn)的粗大誤差，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)不在該置信區(qū)間范圍時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)該值為錯(cuò)誤值并自動(dòng)忽略。利用以上算法，系統(tǒng)可進(jìn)一步提高采集精度，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供有利的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比與分析

以基于ZigBее的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室多種參數(shù)的檢測與控制、人員信息管理和簡單控制系統(tǒng)。本課題完成了檢測控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、ZigBее物聯(lián)網(wǎng)組建、服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與遠(yuǎn)程控制的功能并進(jìn)行了相關(guān)的簡單測試，測試結(jié)果表示檢測控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、控制有效，ZigBее網(wǎng)絡(luò)傳輸精度高、時(shí)延短、冗余度低等特性，服務(wù)器網(wǎng)頁設(shè)計(jì)合理、數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確。然而本系統(tǒng)所涉及的ZigBее網(wǎng)絡(luò)僅僅是ZigBее網(wǎng)絡(luò)的簡單應(yīng)用，在組網(wǎng)以及路由算法等方面的研究不夠，網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)壯性仍需改進(jìn)。但實(shí)際應(yīng)用表明，基于ZigBее物聯(lián)網(wǎng)的智能計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)可大量減少底層工作，是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)化測控方案。

［1］王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述［J］.電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009，（12）.

［2］滕勝榮，孟慶繁.高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［3］呂波，邱劍均，劉婧玉.如何加強(qiáng)高校儀器設(shè)備管理［J］.醫(yī)學(xué)信息，2011，24（4）.

［4］李文仲，段朝玉.ZigBее2007技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京：北京航空航天高校出版社，2009.

（責(zé)任編輯：文婷）

TP393.4

A

1003-3319（2016）03-00025-03

10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0025

遼寧省現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育學(xué)會(huì)2015年應(yīng)用性專項(xiàng)研究“智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究”（2015YYYJ-6）